Как возникли и как развивались белковые взаимодействия? В новом исследовании исследователи изучили два белка, которые начали совместно развиваться между 400 и 600 миллионами лет назад. Как они выглядели? Как они работали и как менялись с течением времени? Результаты, опубликованные в eLife, показывают, как комбинация изменений свойств белков создает лучшие условия для регуляции клеточных процессов.
«Мы хотим понять процесс, посредством которого возникает и развивается новое взаимодействие белок-белок», - говорит Грета Хультквист, которая вместе с Пером Джемтом руководила исследованием на кафедре медицинской биохимии и микробиологии Университета Упсалы.
Жизнь зависит от белков; в частности, как белки взаимодействуют друг с другом. Большинство, если не все основные клеточные процессы зависят от белковых взаимодействий, когда определенный белок может усиливать или ослаблять определенную клеточную функцию. Во многих случаях одно и то же взаимодействие белков можно обнаружить в разных классах организмов, от млекопитающих до всех типов животных или даже во всех царствах жизни.
Когда взаимодействие белков специфично для позвоночных, это означает, что взаимодействие возникло в значительный момент времени для предка позвоночных. Это белковое взаимодействие затем сохранилось во всех эволюционных линиях, происходящих от предка позвоночных, и его можно наблюдать у всех современных позвоночных. На самом деле новые и модифицированные белки постоянно появляются в организмах путем генных модификаций, но большинство из них исчезает. Однако некоторые белок-белковые взаимодействия оказываются полезными и в результате сохраняются в организме.
Новые или модифицированные белки могут формировать новые взаимодействия с существующими белками, чтобы вызвать выгодное белок-белковое взаимодействие. Это случалось несколько раз в ходе эволюции. Легко понять, что белковые взаимодействия могут быть полезными для организма и как таковые сохраняются. Однако о молекулярных деталях такой исторической эволюции белков известно меньше.
Проанализировав множественные аминокислотные последовательности двух взаимодействующих белков из разных современных организмов, команда реконструировала предковые версии белков, присутствующих у видов, живших между 400 миллионами и 600 миллионами лет назад. Как выглядел самый древний из этих предков, точно неизвестно, но можно предположить, что это было небольшое животное с билатеральной симметрией. Одна эволюционная линия вела к рыбам и впоследствии к первым четвероногим. Команда воскресила белки этих видов и охарактеризовала их свойства с помощью экспериментальных и вычислительных методов.
Мы обнаружили, что предковые белки взаимодействовали друг с другом слабее по сравнению с вариантами более поздних поколений. Предковые белки, вероятно, также были более гибкими с точки зрения структуры, чем белки более поздних поколений, когда они были связаны вместе. Еще одним поразительным открытием является то, что сила этого белок-белкового взаимодействия не изменилась за последние 450 миллионов лет», - говорит Грета Хультквист.
Белки, изученные учеными, принадлежат к классу, называемому «внутренне неупорядоченные белки». Это означает, что сами по себе они очень гибкие и могут даже существовать в виде вытянутой цепи, в отличие от большинства белков, имеющих глобулярную форму. Однако, когда неупорядоченные белки связываются друг с другом, они часто складываются в глобулярную структуру. Белок-белковые взаимодействия между внутренне неупорядоченными белками очень распространены и часто участвуют в клеточной регуляции.
Наши результаты проливают свет на некоторые фундаментальные принципы эволюции белков и могут быть общими для того, как возникают и развиваются новые белок-белковые взаимодействия белков с внутренней неупорядоченностью. Слабое и динамичное родовое взаимодействие могло относительно быстро превратиться в оптимально сильное путем случайных генных мутаций с последующим естественным отбором. Затем сила взаимодействия сохраняется, когда предковая группа организмов диверсифицируется в новые виды», - говорит Пер Джемт.